ATP-EMTP的应用(1)

武汉大学电气工程学院ATP-EMTP的应用武汉大学2009年11月18日~20日武汉大学电气工程学院1.电力系统暂态计算的特点武汉大学电气工程学院3电力系统的暂态计算的特点电力系统从一个稳定状态到另一个稳定状态的过渡过程称作电力系统的暂态。通常负荷的波动、发电机出力的波动之类的系统的微小变动不作为暂态考虑。引起暂态的原因主要有：（1）雷击电力设备。（2）短路等电气事故。（3）断线等机械事故。（4）断路器的投切操作，如线路充电、变压器充电、重合闸、甩负荷等。（5）隔离开关的投切操作，如母线投切等。暂态的定义武汉大学电气工程学院4电力系统数字仿真的分类电力系统数字仿真稳态计算暂态计算潮流、故障及系统稳定和电压稳定的静稳定计算等有效值范畴系统稳定和电压稳定的动稳定计算有效值范畴瞬时值范畴过电压、SSR、TRV、变压器涌流、高次谐波及保护控制计算等电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院5电力系统各种现象的变化速度和计算范围1101001000过电压高次谐波SSR系统稳定电压稳定潮流1微秒1分1毫秒1秒1小时系统规模(发电机数)电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院61.制定试验电压标准。2.决定设备的绝缘水平。3.调查事故原因，寻找对策。4.计算过电压发生概率，预测事故率。5.检查设备的动作责能，如断路器的暂态恢复电压和零点偏移。6.继电保护和控制设备的整定等等。暂态仿真的目的电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院71.频率范围广，从直流到数十兆赫芝。下图是CIGRE对各种过电压的频率分类。暂态仿真的特点0.11101001k10k100k1M10M100M0.1Hz-3kHzⅠ暂时过电压50/60Hz-20kHzⅡ缓波前过电压10kHz-3MHzⅢ快波前过电压100kHz-50MHzⅣ特快波前过电压频率(Hz)电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院82.元件模型因计算目的而异以单相变压器为例暂态仿真的特点(a)工频过电压计算用LmRm理想変圧器R2L2L1R1●●●●电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院92.元件模型因计算目的而异(以单相变压器为例)C22C11C12/2C1/2LmRmR2L2L1R1C12/2C1/2C2/2C2/2暂态仿真的特点C2C1C12(b)操作过电压计算用(c)雷过电压计算用C电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院103.行波现象和分布参数设幅值为I的正弦波电流以波速300m/μs传播，AB两点间距离为300m。两点电流的最大差值：50Hz：3.14×10-4×I100kHZ：0.628×I在高频领域，变电站的母线也要考虑波的传播过程，并当成分布参数线路处理。暂态仿真的特点BA电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院114.非线性元件和开关在暂态计算中，需要考虑元件的非线性和开关的动作。最常见的非线性特性，有变压器的励磁特性、避雷器的电压-电流特性等。开关也可以看成一种非线性元件。右图是避雷器的电压-电流特性。暂态仿真的特点10kA20kA1000kV避雷器V-I特性mA1620kV电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院125.元件参数的频率特性在暂态计算中，需要考虑元件参数的频率特性。最重要的是线路参数的频率特性。另外，变压器参数也有频率特性。暂态仿真的特点ohm/kmL'posL'zeroR'pos106三相线路的正序、零序电阻、电感10410201021010-11mH/kmHzR'zero电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院136.时间跨度的要求稳态计算的对象是一个时间断面，而暂态计算要模拟一个时间过程。数字计算机不可能连续地模拟暂态现象，只能在离散的时间点(步长Δt)求解，这将会导致累积误差。避免这类误差的累积是暂态计算程序的重要课题之一。鉴于暂态模拟的上述特点，暂态模拟比稳态计算不论是程序编制还是应用，难度都要大得多。暂态仿真的特点电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院14（1）明确计算目的，确定主频率。（2）确定作为计算对象的系统范围。（3）所使用的模型是否合适（模型的前提条件和相关理论）？（4）选择的参数是否合适？分析各种参数值对计算结果的影响程度。（5）计算结果是否符合定性的（从物理意义判断的）或者近似计算的预测结果。如果是事故分析，是否符合事故记录。暂态仿真的注意事项电力系统的暂态计算的特点武汉大学电气工程学院2.EMTP的介绍武汉大学电气工程学院16全称：Electro-MagneticTransientsProgram世界上应用最为广泛的电磁暂态计算标准程序EMTP的介绍武汉大学电气工程学院17（1）1962年EMTP的创始人Dommel在他的博士论文中首次将水力学中流体计算的Schnyder-Bergeron法用于电压和电流的行波计算。（2）1966年Dommel就职美国邦纳维尔电力局,1968年完成EMTP的原型(约4000行)。（3）1973年ScottMeyer接替EMTP的开发和管理工作。（4）现有BPA-EMTP、ATP-EMTP和DCG-EMTP三个版本。ATP-EMTP：无偿使用,在全世界拥有最多的用户。最新版本为第2.1版，源程序约21.8万行。图形接口为ATPDraw，最新版本为第5.4版。DCG-EMTP：有偿使用，最新版本是2005年发行的RV版。图形接口为EMTPWorks。EMTP的开发经过EMTP的介绍武汉大学电气工程学院18（1）将潮流计算使用的节点导纳矩阵和稀疏矩阵处理方法用于暂态计算程序，通过求解逆矩阵来求各节点电压。（2）在稳态计算时，EMTP把非线形元件当作线形元件，把具有分布参数的线路当作具有集中参数的π型电路，通过求解下式所示的复数节点导纳方程式来求得各节点的复数电压。EMTP的解法][]][[IVYEMTP的介绍武汉大学电气工程学院19（3）在暂态计算时，EMTP采用梯形积分将微分方程式离散化，将所有的元件用等值电导和等值电流源表示。通过求解下式所示的节点方程式来求得各节点电压的瞬时值。EMTP的解法][]][[ivG（4）将Schnyder-Bergeron法用于电压和电流的行波计算，成功地解决了分布参数线路的电路计算问题。EMTP的介绍武汉大学电气工程学院20EMTP的解法i1i15i51分布参数线路321CLR45用下图说明建立节点电导矩阵的方法EMTP的介绍武汉大学电气工程学院21电阻EMTP的解法)()(1)(2112tvtvRti电感dttdiLtv)()(1313)()()(2)(133113tthisttvtvLtti)()(2)()(311313ttvttvLtttitthistmkhistkmRequivEMTP的介绍武汉大学电气工程学院22电容EMTP的解法dttdvCti)()(1414)()()(2)(144114tthisttvtvtCti)()(2)()(411414ttvttvtCttitthistmkhistkmRequivEMTP的介绍武汉大学电气工程学院23无损分布参数线路EMTP的解法)()()()(ctxZfctxZFvctxfctxFi)(2ctxZFZiv)()()()(515151tZitvtZitv)()(1)(15115thisttvZti)()(1)(51515titvZtthistMKVmhistmkVkIkmZhistkmImkZEMTP的介绍武汉大学电气工程学院24对节点1EMTP的解法)()()()()(115141312tititititi)()()()()(2)(2)(1)(122115141314321thisttthisttthisttitvtCtvLttvRtvZtCLtR对n个节点histtitvG)()(EMTP的介绍武汉大学电气工程学院25(1)单相电阻、电感和电容串联电路，单相或多相π型电路这些是EMTP最基本的元件，可以构成发电机、变压器、线路、负荷或电力系统其他元件，也可以单独使用，如用作断路器的合闸电阻、接地电阻、并联电抗器、变压器的杂散电容等等。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院26(2)架空线路和电缆在EMTP中可以用常规π型电路、无损分布参数电路、无畸变分布参数电路、带集中电阻的分布参数电路或者具有频率相关参数的分布参数电路来模拟架空线路和电缆。使用最多的是常规π型电路、无损分布参数电路、带集中电阻的分布参数电路和考虑频率相关的J.Marti模型。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院27(3)变压器在EMTP中可以用单相饱和变压器模型、三相饱和变压器模型或者多相耦合R-L电路来模拟各种变压器。通常用3台单相饱和变压器模型来模拟三相变压器。如要模拟磁滞特性，需要在模型外并联磁滞特性支路。在高频领域要考虑杂散电容的影响。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院28(4)非线形元件EMTP准备了各种非线形元件模型，用来模拟变压器和电抗器的非线形电感、避雷器的非线形电阻等。EMTP中的非线形元件模型分为二大类，一类是准非线形(Pseudo-nonlinear)元件，一类是正规的非线形元件。对于准非线形元件，用分段线形模型来表示非线形特性。对于正规的非线形元件，采用补偿法求解。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院29(5)简单电压源和电流源EMTP将经常遇到的电源函数作为内部函数，其中包括阶跃函数(Type-11)、斜角函数(Type-12,13)、正弦函数(Type-14)、冲击函数(Type-15)、简化换流阀(Type-16)、TACS控制电源(Type-17)和TACS电源(Type-60)。还有可接于两个节点间的电源(Type-18)。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院30(6)同步电机在ATP-EMTP中有两种同步电机模型，即基于dq0坐标的Type-59模型和基于相坐标的Type-58模型。後者避免了dq0坐标转换成相坐标引起的数值不稳定，但由于每个步长都需要更新Ｇ矩阵并重新三角形化，因此计算时间比前者长。两者的轴系模拟相同。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院31(7)通用电机EMTP的通用电机模型可以模拟各种同步电机、各种异步电机和各种直流电机，功能十分广泛，但使用不太方便。另外，通用电机模型也是使用dq0坐标的，存在坐标转换引起数值不稳定的可能性。笔者已开发了基于相坐标的异步电机模型。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院32(8)开关EMTP中有时控开关、间隙开关、TACS开关（二极管、闸晶管、TACS信号控制开关）和测量开关。时控开关主要用于模拟断路器、隔离开关和短路。测量开关用于输出支路的电流、功率或者向TACS传递变量。为了计算操作过电压，还准备了统计开关和规律化开关。为了详细模拟开关的物理特性，需要在开关上增加其他的元件，如断口间的杂散电容、电弧电阻。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院33(9)控制系统（TACS或Models)TACS用功能块(传递函数、特殊装置和信号源)表示控制系统。由于TACS的解要在下一时步传递给网络，以及在TACS内部的时延，有时会引起数值不稳定和解的不正确。另外，需用户输入TACS变量初始值。笔者的TACS改良版已解决这些问题。Models用类似Fortran的高级语言表示控制系统,更灵活，更直观。但也存在时延和初始值的问题，且所需的计算时间多于TACS。EMTP的元件EMTP的介绍武汉大学电气工程学院34（１）从概念上讲，EMTP可应用于任何电路的电磁暂态现象计算。因此不仅电力系统，其他的领域也可以应用，如用于磁浮铁路导轨